先進(jìn)節(jié)能直流無刷電機(jī)控制器

節(jié)能減排的議題在國(guó)際舞臺(tái)中不斷地受到重視，其目的就是為了防止環(huán)境污染繼續(xù)惡化、改善氣候劇烈變動(dòng)，以及在地球有限資源情況下訂定條款并相互約束。在普通消費(fèi)者看來，節(jié)能減排無非就是隨手關(guān)閉電源，或搭乘公共交通系統(tǒng)，以便減少資源的浪費(fèi)及實(shí)現(xiàn)資源回收再利用等目的。但是除了這些隨手可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作之外，另一個(gè)根本問題就是如何提高能源使用效率。美國(guó) EPRI就曾指出，全球電機(jī)所耗費(fèi)的金額一年高達(dá)950億美金，占了所有電力51%；其次是照明19%，冷卻/供暖16%， IT 14%。

無論是工業(yè)、家庭還是商業(yè)用電，電機(jī)所消耗的能源都占有很高的比例。以中國(guó)臺(tái)灣2007年的工業(yè)用電為1172億度為例，電機(jī)用電約820億度，占了總體用電的70%。如果改善電機(jī)系統(tǒng)的輸出、輸入功率比，就可以提高用電效率。

所以各個(gè)國(guó)家或者地區(qū)都針對(duì)電機(jī)及照明這兩大類有關(guān)產(chǎn)品提出改進(jìn)計(jì)劃。

表1  各國(guó)對(duì)電機(jī)和照明產(chǎn)品的改進(jìn)計(jì)劃

家庭用電大約可分為電源轉(zhuǎn)換輸出(燈、電視)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)(冰箱、洗衣機(jī)、冷氣、風(fēng)扇、吸塵器等)這兩大類，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)所消耗的電力占家庭用電的70%。根據(jù)臺(tái)灣工程研究院的數(shù)據(jù)，如果電機(jī)效率提升10%，一年約可節(jié)省100億度的電量，相當(dāng)一座大中型核能發(fā)電站所發(fā)的電量。若再以全球一年的發(fā)電量約為20兆度來計(jì)算(在中國(guó)1兆是1萬(wàn)億)，可以節(jié)省2兆度的用電量。這個(gè)驚人的數(shù)字等同于兩百座中大型核電站的電量。而且在能源法規(guī)及環(huán)保議題帶動(dòng)下，產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品升級(jí)已是維持經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的必要條件。

圖1

當(dāng)今家電產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為交流電機(jī)、直流電機(jī)兩類；直流電機(jī)又分為直流有刷及無刷電機(jī)。由于材料科學(xué)的進(jìn)步，直流無刷電機(jī)(BLDC 或 PMSM)的研發(fā)及生產(chǎn)近期有相當(dāng)大的突破。直流無刷電機(jī)具有安靜、無噪聲、免維護(hù)保養(yǎng)、壽命長(zhǎng)、體積小的特性及優(yōu)點(diǎn)；尤其是高效輸入/輸出比，在節(jié)能及環(huán)保方面均有優(yōu)異表現(xiàn)。

直流無刷電機(jī)在技術(shù)層面以及進(jìn)入門檻的要求都比其他電機(jī)(如交流、直流有刷)更高，因此擁有較高的附加值；同時(shí)在面臨能源短缺及環(huán)保要求雙重壓力下，高效率環(huán)保產(chǎn)品自然成了追求的目標(biāo)，而采用直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品輕松符合以上要求。

直流無刷電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)上可采用方波驅(qū)動(dòng)(Trapezoidal Control)或磁通正弦PWM驅(qū)動(dòng)兩種控制系統(tǒng)算法。其中，磁通正弦驅(qū)動(dòng)備受業(yè)界囑目。

磁圖2

通正弦PWM
僅依靠3個(gè)霍爾零件無法順利產(chǎn)生正弦波相電流控制信號(hào)，必須整合高分辨率的位置編碼器來輔助霍爾零件，以取得更精確的位置信息，如此方能產(chǎn)生所需的正弦波。但位置編碼器的高成本卻不是一般應(yīng)用所能接受的，空間向量調(diào)制應(yīng)運(yùn)而生。

空間向量調(diào)制PWM（SVPWM）也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，用控制器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定控制器的開關(guān)，形成PWM波形。此法從無刷電機(jī)的角度出發(fā)，把控制器和電機(jī)看作一個(gè)整體，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制，使直流無刷電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(正弦磁通)。

具體方法又分為磁通開環(huán)方式和磁通閉環(huán)方式。磁通開環(huán)法用兩個(gè)非零向量和一個(gè)零向量合成一個(gè)等效的電壓向量，若采樣時(shí)間足夠小，可合成任意電壓向量。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時(shí)提高15％，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)方式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了直流無刷電機(jī)低速時(shí)，定子電阻影響大的問題，減小了電機(jī)的震動(dòng)和噪聲。

在飛兆半導(dǎo)體產(chǎn)品中，有一系列無刷電機(jī)應(yīng)用參考電路。其中，控制單元(Motor Control IC)-FCM8201/02具備著方波/弦波兩種驅(qū)動(dòng)方式，可依不同產(chǎn)品用途擇一使用及多種保護(hù)功能，有別于一般MCU單元需要軟件撰寫的能力方能設(shè)計(jì)使用，降低開發(fā)技術(shù)門檻，并可大幅的縮短廠商產(chǎn)品開發(fā)量產(chǎn)時(shí)程。其他的如飛兆半導(dǎo)體智能功率模塊 (SPM)  (IGBT/MOSFET,HVIC)、PFC、電源管理IC等，飛兆半導(dǎo)體皆可快速提供完整的方案。

在不同的應(yīng)用場(chǎng)合及產(chǎn)品中，方波驅(qū)動(dòng)具有低切換損失以及不需要精確的轉(zhuǎn)子反饋等優(yōu)點(diǎn)。但隨之而來的是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，較適合在大能量輸出場(chǎng)合使用。如載具、泵、工具機(jī)、工業(yè)用風(fēng)扇及室外型產(chǎn)品。

弦波驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)有運(yùn)轉(zhuǎn)平順及無震動(dòng)、無噪聲的優(yōu)勢(shì)，較適合場(chǎng)合:吸塵器、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、家用風(fēng)扇等家用產(chǎn)品。

家用風(fēng)扇
無葉風(fēng)扇、空氣循環(huán)扇、一般家用落地扇、臺(tái)扇、吊扇……追求的要點(diǎn)是室內(nèi)空氣循環(huán)，搭配空調(diào)增加效率、自然風(fēng)、靜音，已經(jīng)跳開以往直吹的觀念，追求的是更加舒適的生活。以往交流電機(jī)要達(dá)到相同的功能及效率需要付出額外的控制線路及電機(jī)材料、體積提升因此成本結(jié)構(gòu)會(huì)大幅增加。直流無刷電機(jī)在具備效率及生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)上，且具有控制單元很容易將智能功能加入來達(dá)到舒適家居生活的目的。

圖3

為了避免通過的電流量不堪負(fù)荷，造成芯片的損壞，并有更好的保護(hù)功能，F(xiàn)CM82XX系列內(nèi)置OCP(Over Current Protection)的設(shè)計(jì)回路。目的是讓過電流的情況下，芯片還能夠受到完整的保護(hù)。

過電流保護(hù)
FCM8201/02提供三階段的過電流保護(hù)。

第一階段稱過載電流保護(hù)(Over-load Current Protection) ，保護(hù)動(dòng)作的門檻電壓(VOCP_OL)為1.4V。第二階段為PWM每一周期的電流保護(hù)(Cycle-by-cycle Current Protection)，保護(hù)動(dòng)作的門檻電壓(VOCP_CYC)為1.5V。最后階段則是短路電流保護(hù)(Short Circuit Current Protection)，保護(hù)動(dòng)作的門檻電壓(VOCP_SH)為2.5V。

圖4

結(jié)論
在這個(gè)電力缺乏與環(huán)保意識(shí)抬頭的年代，降低核能發(fā)電已是所有人共同努力的目標(biāo)，對(duì)于高效能電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求也逐漸被社會(huì)大眾所接受，當(dāng)然電機(jī)控制芯片的設(shè)計(jì)要求也越來越高。比如，BLDC或PMSM電機(jī)的無傳感器、霍爾傳感器以及高階電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的無傳感器與PFC都是未來的發(fā)展趨勢(shì)。提供完整的設(shè)計(jì)方案與仿真軟件，除了可以簡(jiǎn)化開發(fā)的時(shí)程，還能將電機(jī)驅(qū)動(dòng)達(dá)到最優(yōu)化的效率，才能有效的縮短產(chǎn)品上市的周期。